Термоэлектрическая способность пары или коэффициент термоэдс

Действие термоэлектрогенератора основано на использовании термоэлектричсского эффекта, сущность которого заключается в том, что при нагревании места соединения (спая) двух разных металлов между их свободнымн концами, имеющими более низкую температуру, возникает разность потенциалов, или так называемая термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС). Если замкнуть такой термоэлемент (термопару) на внешнее сопротивление, то по цепи потечет электрический ток (рис. 1). Таким образом, при термоэлектрических явлениях происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.
Величина термоэлектродвижущей силы определяется приближенно по формуле

Здесь Е – термоэлектродвижущая сила в вольтах, Т1 и Т2 – соответственно температура нагретого и холодного (холодных концов) спая термопары, а – коэффициент термо-ЭДС, зависящий от природы обоих металлов, образующих данную термопару, и выражающийся в микровольтах на градус,.

Рис. 1. Схема включения термопары

Возьмем кольцевой проводник, состоящий из двух металлов А и Б (рис. 2), и нагреем места их соединения соответственно до температуры Т1 и Т2 так, чтобы Т1 было больше, чем Т2. В горячем спае такой термопары ток идет из металла Б в металл А, а в холодном спае из металла А в металл В. Принято считать в таком случае термоэлектродвижущую силу металла А положительной по отношению к металлу Б.
Все известные металлы можно расположить в последовательный ряд так, чтобы любой предыдущий металл имел положительную термоэлектродвижущую силу относительно последующего. Ниже приведены значения термоэлектродвижущей силы в милливольтах, развиваемой термопарой, в которой одним термоэлектродом служит указанный металл, а другим – платина, разность температур спаев которой равна 100° С (знаки «+» и « – », стоящие перед цифровыми данными термоэлектродвижущей силы, указывают полярность этой ЭДС относительно платины).

По приведенным выше данным легко подсчитать термоэлектродвижущую силу, развиваемую термопарой, составленной из любых указанных в таблице металлов. Она будет равна алгебраической разности термоэлектродвижущих сил двух термоэлектродов, для каждого из которых эта величина дается относительно платины. Так, например, термоэлектродвижущая сила пары висмут – сурьма , составит +4,7- ( – 6,5) = 11,2 мв,
а пары железо – алюминий +1,6 –– (+ 0,38) = 1,22 мв.

Рис.2. Кольцевой проводник, составленный из двух разных металлов

Если температуру холодного спая термопары поддерживать постоянной, термоэлектродвижущая сила будет изменяться приблизительно пропорционально изменению температуры горячего спая. Это дает возможность применять термопары для измерения тсмпературы.
Наряду с использованием термоэлектрических явлений для измерительных целей, начиная с середины прошлого столетия, делались многочисленные попытки применить термоэлементы для энергетических целей, т. е. использовать батареи из последовательно соединенных термоэлементов в качестве источников электрической энергии. На рис. 3 показано схематическое устройство термобатареи.

Рас. 3. Схематическое устройство термобатареи

Такой агрегат может найти практическое применение, если он будет обладать достаточно высоким коэффициентом полезного действия и сохранять свои свойства при длительной эксплуатации. Однако по причинам, о которых будет сказано дальше, до последнего времени не удавалось создать термоэлектрогенератор, удовлетворяющнй таким требованиям.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА

Вследствие несовершенства нагревательных устройств далеко не вся тепловая энергия топлива поступает к горячим спаям термоэлементов. Кроме того, вследствие теплопроводности термоэлектродных материалов значительная часть тепла бесполезно расходуется, уходя от нагревателя через термоэлектроды к холодильнику. Наконец, не вся электрическая энергия, возникшая в результате термоэлектрического эффекта из тепловой энергии, отдается во внешнюю цепь. Часть этой энергии расходуется на преодоление внутреннего сопротивления термоэлемента. Поэтому полный КПД термогенератора получается низким.
Для увеличения термоэлектрического КПД, представляющего отношение отдаваемой термоэлектрогенератором электрической энергии к той части тепловой энергии, которая поступает к горячим спаям термоэлементов, следует стремиться:
1) повысить возможно более перепад температур между горячим и холодным спаями термоэлемента, т. е. работать при возможно более высокой температуре горячего спая, которая лимитируется температурами плавлении и жаростойкостью термоэлектродных материалов;
2) подбирать термоэлектродные материалы, развивающие в паре максимально высокую термоэлектродвижущую силу;
3) подбирать термоэлектродные материалы, у которых отношение средней теплопроводности к средней электропроводимости будет возможно меньшим.
Чисто металлические пары создают малую термоэлектродвижущую силу, поэтому КПД таких пар весьма низок (равен долям процента). Более высокие термо-ЭДС создает ряд веществ с полупроводниковыми свойствами (некоторые сульфиды, окислы, интерметаллические соединения). Но для этих веществ отношение средней теплопроводности к средней электропроводности бывает обычно выше, чем для чистых металлов. Однако термо-ЭДС некоторых полупроводниковых материалов настолько высока, что КПД термоэлементов, составленных. из подобных материалов, получается больше, чем в случае типичных металлов.
Применение веществ с полупроводниковыми свойствами затрудняется чрезвычайной хрупкостью этих веществ, легкой их окисляемостью, трудностью создания в горячем и холодном спаях контактов, устойчивых в условиях эксплуатации, а также сложностью технологии изготовления из этих материалов термоэлектродов с однозначными характеристиками. Из изложенного видно, что создать термоэлементы с достаточным КПД и с высоким сроком службы очень сложно. Этим и объясняются неудачные результаты многочисленых прежних попыток создания термоэлектрогенератора, приемлемого для энергетических целей.
Благодаря развитию отечественной науки и техники в настоящее время удалось построить пригодные ддя практики термоэлектргенераторы типа ТГК-3, которые имеют приемлемый (хотя и не очень высокий) КПД и достаточно высокий срок службы. Характеристики этого термоэлектрогенератора отнюдь не являются предельными. Надо полагать, что советские ученые дальнейшими своими работами достигнут значительного повышения этих характеристик.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО, явление прямого преобразования теплоты в электричество в твердых или жидких проводниках, а также обратное явление прямого нагревания и охлаждения спаев двух проводников проходящим током. Термин «термоэлектричество» охватывает три взаимосвязанных эффекта: термоэлектрический эффект Зеебека и электротермические эффекты Пельтье и Томсона. Все они характеризуются соответствующими коэффициентами, различными для разных материалов. Эти коэффициенты связаны между собой так называемыми соотношениями Кельвина. Они определяются как параметрами спаев, так и свойствами самих материалов. Другие явления, в которых участвуют теплота и электричество, такие, как термоэлектронная эмиссия и тепловое действие тока, описываемое законом Джоуля – Ленца, существенно отличаются от термоэлектрических и электротермических эффектов и здесь не рассматриваются. См. также ТЕПЛОТА; ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ; ТЕРМОДИНАМИКА.

Термоэлектрический эффект Зеебека. В 1820 появилось сообщение Г.Эрстеда о том, что магнитная стрелка отклоняется вблизи провода с электрическим током. В 1821 Т.Зеебек отметил, что стрелка отклоняется также, когда два стыка замкнутой электрической цепи, составленной из двух разных проводящих материалов, поддерживаются при разной температуре. Зеебек сначала полагал, что это чисто магнитный эффект. Но впоследствии стало ясно, что разность температур вызывает появление электрического тока в цепи (рис. 1). Важной характеристикой термоэлектрических свойств материалов, составляющих цепь, является напряжение на концах разомкнутой цепи (т.е. когда один из стыков электрически разъединен), так как в замкнутой цепи ток и напряжение зависят от удельного электросопротивления проводов. Это напряжение разомкнутой цепи VAB (T1, T2), зависящее от температур T1 и T2 спаев (рис. 2), называется термоэлектрической электродвижущей силой (термо-ЭДС). Зеебек заложил основы для дальнейших работ в области термоэлектричества, измерив термо-ЭДС широкого круга твердых и жидких металлов, сплавов, минералов и даже ряда веществ, ныне называемых полупроводниками.

Электротермический эффект Пельтье.

В 1834 французский часовщик Ж.Пельтье заметил, что при прохождении тока через спай двух разных проводников температура спая изменяется. Как и Зеебек, Пельтье сначала не усмотрел в этом электротермического эффекта. Но в 1838 Э.Х.Ленц, член Петербургской академии наук, показал, что при достаточно большой силе тока каплю воды, нанесенную на спай, можно либо заморозить, либо довести до кипения, изменяя направление тока. При одном направлении тока спай нагревается, а при противоположном – охлаждается. В этом и состоит эффект Пельтье (рис. 3), обратный эффекту Зеебека.

Электротермический эффект Томсона.

В 1854 У.Томсон (Кельвин) обнаружил, что если металлический проводник нагревать в одной точке и одновременно пропускать по нему электрический ток, то на концах проводника, равноудаленных от точки нагрева (рис. 4), возникает разность температур. На том конце, где ток направлен к месту нагрева, температура понижается, а на другом конце, где ток направлен от точки нагрева, – повышается. Коэффициент Томсона – единственный термоэлектрический коэффициент, который может быть измерен на однородном проводнике. Позднее Томсон показал, что все три явления термоэлектричества связаны между собой уже упоминавшимися выше соотношениями Кельвина.

Термопара. Если материалы цепи рис. 2 однородны, то термо-ЭДС зависит только от выбранных материалов и от температур спаев. Это экспериментально установленное положение, называемое законом Магнуса, лежит в основе применения т.н. термопары – устройства для измерения температуры, которое имеет важное практическое значение. Если термоэлектрические свойства данной пары проводников известны и один из спаев (скажем, с температурой T1 на рис. 2) поддерживается при точно известной температуре (например, 0° C, точке замерзания воды), то термо-ЭДС пропорциональна температуре T2 другого спая. Термопарами из платины и платино-родиевого сплава измеряют температуру от 0 до 1700° C, из меди и многокомпонентного сплава константана – от -160 до +380° C, а из золота (с очень малыми добавками железа) и многокомпонентного хромеля – до значений, лишь на доли градуса превышающих абсолютный нуль (0 К, или -273,16° C).

Термо-ЭДС металлической термопары при разности температур на ее концах, равной 100° C, – величина порядка 1 мВ. Чтобы повысить чувствительность измерительного преобразователя температуры, можно соединить несколько термопар последовательно (рис. 5). Получится термобатарея, в которой один конец всех термопар находится при температуре T1, а другой – при температуре T2. Термо-ЭДС батареи равна сумме термо-ЭДС отдельных термопар.

Поскольку термопары и их спаи могут быть выполнены небольшими и их удобно использовать в самых разных условиях, они нашли широкое применение в устройствах для измерения, регистрации и регулирования температуры.

Термоэлектрические свойства металлов. Эффект Зеебека

обычно легче других термоэлектрических эффектов поддается надежным измерениям. Поэтому его обычно и используют для измерения термоэлектрических коэффициентов неизвестных материалов. Поскольку термо-ЭДС определяется свойствами обеих ветвей термопары, одна ветвь должна быть из некоего «опорного» материала, для которого известна «удельная» термо-ЭДС (термо-ЭДС на один градус разности температур). Если одна ветвь термопары находится в сверхпроводящем состоянии, то ее удельная термо-ЭДС равна нулю и термо-ЭДС термопары определяется величиной удельной термо-ЭДС другой ветви. Таким образом, сверхпроводник – идеальный «опорный» материал для измерения удельной термо-ЭДС неизвестных материалов. До 1986 самая высокая температура, при которой металл можно было поддерживать в сверхпроводящем состоянии, составляла лишь 10 К (-263° C). В настоящее время сверхпроводники можно использовать приблизительно до 100 К (-173° C). При более высоких температурах приходится проводить измерения с несверхпроводящими опорными материалами. До комнатной и несколько более высоких температур опорным материалом обычно служит свинец, а при еще более высоких – золото и платина. См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Эффект Зеебека в металлах имеет две составляющие – одна из них связана с диффузией электронов, а другая обусловлена их фононным увлечением. Диффузия электронов вызывается тем, что при нагревании металлического проводника с одного конца на этом конце оказывается много электронов с высокой кинетической энергией, а на другом – мало. Электроны с высокой энергией диффундируют в сторону холодного конца до тех пор, пока дальнейшей диффузии не воспрепятствует отталкивание со стороны избыточного отрицательного заряда накопившихся здесь электронов. Этим накоплением заряда и определяется компонента термо-ЭДС, связанная с диффузией электронов.

Компонента, связанная с фононным увлечением, возникает по той причине, что при нагревании одного конца проводника на этом конце повышается энергия тепловых колебаний атомов. Колебания распространяются в сторону более холодного конца, и в этом движении атомы, сталкиваясь с электронами, передают им часть своей повышенной энергии и увлекают их в направлении распространения фононов – колебаний кристаллической решетки. Соответствующим накоплением заряда определяется вторая компонента термо-ЭДС.

Оба процесса (диффузия электронов и их фононное увлечение) обычно приводят к накоплению электронов на холодном конце проводника. В этом случае удельная термо-ЭДС по определению считается отрицательной. Но в некоторых случаях из-за сложного распределения числа электронов с разной энергией в данном металле и из-за сложных закономерностей рассеяния электронов и колеблющихся атомов в столкновениях с другими электронами и атомами электроны накапливаются на нагреваемом конце, и удельная термо-ЭДС оказывается положительной. Наибольшие термо-ЭДС характерны для термопар, составленных из металлов с удельными термо-ЭДС противоположного знака. В этом случае электроны в обоих металлах движутся в одном и том же направлении.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

В замкнутой цепи, которая состоит из нескольких металлов либо полупроводников, электрический ток не возбуждается при условии, если температуры всех тел равны друг другу. Если же температуры в местах контактов различаются, тогда в цепи появляется электрический ток. Такой ток называется термоэлектрический. Возникновение термоэлектрического тока, а также связанных с ним явлений Пельтье и Томсона, называют термоэлектричеством.

Термоэлектричество

Явление термоэлектричества открыл ученый Зеебек. Он изучал данное явление, но толковал его неверно. Зеебек полагал, что под влиянием разности температур в разных, но соединенных проводниках происходит выделение магнетизма.

Рассмотрим пример опыта, в котором наблюдается возбуждение термоэлектрического тока.

К пластинке сурьмы Sb припаивают пластинку меди Cu . Между пластинками находится магнитная стрелка. При нагреве одного из спаев возникнет ток, и магнитная стрелка отклоняется. По направлению отклонения стрелки понятно, что ток перемещается от меди к сурьме. При охлаждении спая направление тока меняется на противоположное.

Металл или полупроводник, по направлению которого бежит ток через более нагретый спай термоэлектрической пары, называется положительный, а другой – отрицательный. Первый – это анод, а второй – катод. В термоэлектрической паре медь–сурьма, сурьма будет положительной, а медь – отрицательной.

Термоэлектродвижущая сила

Термо ЭДС Ε – это величина сложения электродвижущих сил двух спаев. ЭДС 1 -го спая f ( t ) зависит от вида контактирующих металлов и температуры.

где t 1 – это температура части с большей температурой, t 2 – это температура части спая с меньшей температурой.

Коэффициент термоэлектродвижущей силы (дифференциальная термо ЭДС) α , то есть характеристика 2 -х металлов термопары, находится по формуле:

В опытах величину α измеряют по отношению к свинцу (а иногда и к другому металлу). Это означает, что α вычисляется для термопары, у которой 1 ветвь составлена из изучаемого материала, а 2 -я – из свинца. Коэффициент термоэлектрической силы α 12 одного металла по отношению к другому металлу находится как:

где α 1 и α 2 – это значения коэффициентов термоэлектродвижущей силы 1 -го и 2 -го металлов по отношению к свинцу. Данные значения зависят от чистоты веществ и сильно меняются при добавлении примесей. Для некоторых веществ, к примеру термопар ( Cu , Bi ) ; ( Ag , Cu ) , ( Au , Cu ) , идеально подходит формула для ЭДС термопары Ε :

Для некоторых термопар зависимость ЭДС термопары можно представить формулой электродвижущей силы:

Исходя из выражения ( 5 ) ЭДС становится равной 0 при t 1 = t 2 и при t 1 + t 2 = — α β . Величина τ – это температура нейтральной точки, которая равняется:

Если при t 2 = c o n s t , увеличивать t 1 , то Ε будет увеличиваться по параболическому закону, достигнув максимума при t 1 = τ , а потом будет равна 0 и сменит знак при температуре t 1 = 2 τ — t 2 .

Точка инверсии – это температура, при которой величина ЭДС проходит через 0 .

Термо ЭДС цепи, которая составлена из 2 -х разных проводников, при небольшой разности температур ∆ T → 0 , может выражаться формулой:

Формула ( 7 ) демонстрирует, что термо ЭДС цепи – это разность термо ЭДС каждого из плеч цепи, причем в каждом из проводников появляется термо ЭДС ∆ Ε i = α i ∆ T ( i = 1 , 2 ) .

Для нахождения не только величины, но и направления термо ЭДС приписывают конкретный знак. Значение α считается положительным, если появляющийся в проводнике термо ток протекает от горячего к холодному. В замкнутой цепи термо ток в горячем спае протекает от проводника с меньшим α (алгебраически) к проводнику с большим α .

Термосвойства у полупроводников выражаются намного сильнее, чем у проводников. Энергия электронов в металлах выражается не сильной зависимостью от температуры, а концентрации выражаются одинаковыми значениями при низкой и высокой температурах. У металлов наблюдается слабая зависимость положения уровня Ферми от температуры. Поэтому коэффициент термоэлектродвижущей силы для металлов и сплавов не превышает даже и нескольких микровольт на кельвин. В полупроводниках концентрация носителей заряда (электронов проводимости и отверстий), точно так же как и все параметры (энергия носителей заряда и положение уровня Ферми) значительно зависят от температуры. Коэффициент α намного больше по сравнению с металлами и может достигать значения более 1000 м к В К .

Термопара

Термоэлектричество используют для генерации электрического тока. Отдельная термопара (термоэлемент) наделен очень небольшой электродвижущей силой. Для получения значительных напряжений термоэлементы соединяют последовательно в батареи. Все нечетные спаи поддерживают на одной температуре, а все четные – при другой температуре. Причем электродвижущие силы отдельных элементов можно складывать. Термобатарея наподобие тепловой машины, включенной между нагревателем и холодильником. В этой машине большее количество теплоты, полученного от нагревателя, растрачивается на джоулево тепло и теплопроводность. Термобатареи из металлических термопар характеризуются слишком маленьким КПД (приблизительно 0 , 1 % ). Металлические термопары применяют лишь для установления температур и потоков лучистой энергии. Намного продуктивнее работают батареи термопар из полупроводников. Причем 1 ветвь термопары делают из полупроводника с электронной проводимостью, а 2 -ю – из полупроводника с дырочной проводимостью. Коэффициент полезного действия полупроводниковых термопар доходит до 15 % .

Необходимо найти термо ЭДС пары железо–константан. При условии что абсолютные значения α по отношению к платине находятся в интервале температур 0 – 100 ° С для Железа α 1 — α P t = + 16 м к В К , для константана α 2 — α P t = — 34 , 4 м к В К .

Дифференциальная термо ЭДС данной цепи равняется:

16 — ( — 34 , 4 ) = 50 , 4 м к В К .

При условии разности температур спаев:

T 2 — T 1 = 100 К .

Тогда термо ЭДС данной пары будет равняться:

50 , 4 · 100 = 5 , 04 ( м В ) .

Ток в горячем спае будет протекать в направлении от константана к железу.

Ответ: 5 , 04 м В

Необходимо объяснить, почему появляется термо ЭДС.

Для понимания причины появления термо ЭДС применим цепь из 2 -х проводников (рисунок 1 ). Пускай температура контакта B равна T 1 , температура контакта С равна T ( T i > T ) Температура контактов А и D одинаковая и равняется T . Тепловые скорости электронов возле контакта B больше по сравнению с теми, что возле контакта С . Поэтому во 2 -м проводнике появится поток диффундирующих электронов, направленный по направлению от B к С . На поверхности 2 -го проводника образуются электрические заряды, а это означает, что возникает электрическое поле, его значение таково, что в установившемся состоянии данное поле порождает такой ток дрейфа, который может компенсировать ток диффузии.

Следовательно, если в проводнике существует градиент температур, тогда в нем возникает градиент электрического потенциала.

Помимо этого, термо ЭДС вызывается не только диффузией в объеме, но также и контактными скачками потенциала φ i 12 и φ i 21 . Поскольку они зависят от температуры, тогда их сумма не равна 0 . Напряжение, регистрируемое вольтметром на рисунке 1 , равное термо ЭДС, суммируется из падения напряжения в объеме проводников и скачков потенциала в контактах.

Термоэлектрическими материалами называются такие материалы, в которых проявляется совокупность термоэлектрических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами. К этим явлениям относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона.

Материалы с эффектом Зеебека

Эффект Зеебека заключается в возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в замкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах (данное явление открыто в 1821 г. немецким физиком Т.И. Зеебеком).

Проявление эффекта Зеебека поясняется на рис. 1. В электрической цепи, составленной из разных проводников М1 и М2, возникает термо-ЭДС, если места контактов А и B поддерживаются при разных температурах. Если же цепь замкнута, то в ней течет термоиндуцированный электрический ток (термоток) I_T, причем изменение знака у разности температур спаев сопровождается изменением направления термотока.

Цепь, составленная из двух разных проводников М1 и М2, называется термоэлементом, а ее ветви – термоэлектродами. Величина термо-ЭДС зависит от абсолютных значений температур спаев T_A и T_B, разности этих температур ∆T и от природы материалов, составляющих термоэлемент.

В небольшом интервале температур термо-ЭДС E_Т можно считать пропорциональной разности температур:

где α_АВ – термоэлектрическая способность (коэффициент термоЭДС).

Эффект Зеебека обусловлен следующими причинами:

• преимущественной диффузией носителей тока в проводнике от нагретого конца к холодному (объемная составляющая термоЭДС);
• зависимостью контактной разности потенциалов от температуры, связанной с зависимостью химического потенциала от температуры (контактная составляющая термо-ЭДС);
• увлечение электронов фононами (квантами поля колебаний кристаллической решетки), которые преимущественно перемещаются от нагретого конца проводника к холодному и, взаимодействуя с электронами, вызывают преимущественное перемещение их в том же направлении (фононная составляющая термо-ЭДС).

Рис. 1. Схема возникновения термоиндуцированного электрического тока в двух спаянных проводниках при различных температурах контактов

Так как в электрических схемах обычно имеются контакты различных проводников, то при колебаниях температуры в местах контактов возникает термо-ЭДС, которую необходимо учитывать при точных измерениях.

Наиболее важной технической реализацией эффекта Зеебека являются термопары, которые представляют собой термочувствительные элементы в устройствах для измерения температуры. Термопара состоит из двух разнородных металлических проводников, соединенных пайкой или сваркой. В сочетании с электроизмерительными приборами она образует термоэлектрический термометр. Существуют две схемы включения термопары в измерительную цепь: 1) измерительный прибор подключается с помощью соединительных проводов в разрыв одного из термоэлектродов (рис. 2, а) или 2) измерительный прибор подключается к концам двух термоэлектродов (рис. 2, б).

Диапазон температур, измеряемых с помощью термопар, весьма широк: от температуры жидких газов до температуры в доменных печах. Точность измерения температуры с помощью термопар может доходить до сотых долей градуса.

Для изготовления термоэлектродов используются следующие пары металлов или сплавов (для разных температурных областей): золото – медь, медь – константан, хромель – копель, хромель – алюмель, платинородий – платина, вольфрам – рений.

С помощью эффекта Зеебека, кроме температуры, можно определять и другие физические величины, измерение которых может быть сведено к измерению температур: электрического тока, потока лучистой энергии, давления газа и т.д.

Рис. 2. Схемы включения термопары в измерительную цепь с подключением измерительного прибора в разрыв одного из термоэлектродов (а) и к концам двух термоэлектродов (б): 1 – измерительный прибор; 2 – соединительные провода; М1, М2 – термоэлектроды; Т_А, Т_В – температуры соответственно «горячего» и «холодного» контактов термопары

Для повышения чувствительности термопары соединяют последовательно в термобатареи. При этом все четные спаи поддерживаются при одной температуре, а все нечетные – при другой. ТермоЭДС такой батареи равна сумме термо-ЭДС отдельных элементов.

Термобатареи могут играть роль термоэлектрогенераторов, для создания которых обычно используются полупроводниковые термоэлектрические материалы, обеспечивающие наиболее высокий коэффициент преобразования тепла в электричество. Основная область применения термоэлектрогенераторов – маломощные автономные источники электроэнергии.

На рис. 3 показана типичная конструкция термоэлектрогенератора, установленного на тепловой трубе, по которой может проходить, например, добываемая нефть или природный газ, топочные или выхлопные газы.

Рис. 3. Термоэлектрогенератор на тепловой трубе

Рис. 4. Автомобиль с интегрированным в выхлопную систему термоэлектрогенератором

Термоэлектрогенераторы находят применение в транспортных средствах, работающих на двигателях внутреннего сгорания. Такие двигатели весьма неэффективно используют энергию (потребляют только 20–25 % энергии, произведенной в результате сгорания топлива). Чтобы улучшить КПД двигателя по топливу, можно с помощью термоэлементов преобразовывать тепловую энергию от двигателя в электрическую энергию, а затем использовать её для питания различных устройств, расположенных транспортных средствах (рис. 4).

Термоэлектрогенераторы также применяются в системах преобразования солнечной энергии. При этом увеличение плотности теплового потока, проходящего через каждый термоэлемент, осуществляют с помощью гелиоконцентраторов, выполненных в виде системы зеркал или линз, собирающих (фокусирующих) солнечные лучи, либо с помощью теплопроводящих пластин.

Солнечные термоэлектрогенераторы перспективны для применения в качестве источников электропитания в установках для подъёма грунтовых вод в сельском хозяйстве, в устройствах навигации и связи, в космических аппаратах и т.д.

Материалы с эффектом Пельтье

Эффект Пельтье заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении электрического тока в месте контакта двух разнородных проводников (данное явление открыто в 1834 г. французским физиком Ж. Пельтье). Эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека.

Теплота Пельтье Q_П пропорциональна силе протекающего тока I

времени прохождения тока t:

где П – коэффициент Пельтье (зависит от природы материалов, образующих контакт).

Причина возникновения эффекта Пельтье связана с наличием контактной разности потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. При этом в одном из контактов электроны, движущиеся под действием внешнего электрического поля, тормозятся контактным полем. Их кинетическая энергия уменьшается и, соответственно, спай охлаждается. Другой спай, наоборот, нагревается, так как в нем протекают противоположные процессы. Таким образом, знак теплоты Пельтье зависит от направления протекающего тока.

Эффект Пельтье лежит в основе действия преобразователей, называемых элементами Пельтье. На практике такие элементы обычно изготавливают из полупроводников, поскольку при контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что почти незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Достоинством элементов Пельтье являются небольшие размеры и простота конструкции.

Рис. 5. Кулер с элементом Пельтье для процессора

Эффект Пельтье лежит в основе действия преобразователей, называемых элементами Пельтье. На практике такие элементы обычно изготавливают из полупроводников, поскольку при контакте металлов эффект Пельтье настолько мал, что почти незаметен на фоне омического нагрева и явлений теплопроводности. Достоинством элементов Пельтье являются небольшие размеры и простота конструкции.

Элементы Пельтье широко используются для создания маломощных холодильников, когда необходимо охлаждение с небольшой разницей температур, например, маленьких автомобильных холодильников, поскольку применение компрессора в этом случае невозможно из-за ограниченных размеров. Также элементы Пельтье используются для охлаждения процессоров (рис. 5), кондиционеров, устройств с зарядовой связью в цифровых фотокамерах, приёмников излучения в инфракрасных сенсорах, для термостатирования диодных лазеров с тем, чтобы стабилизировать длину волны излучения.

Элементы Пельтье могут служить для отопления помещений: теплый спай помещается внутри помещения, охлаждающийся – снаружи (летом следует поменять направление тока, и помещение будет охлаждаться).

Материалы с эффектом Томсона

Эффект Томсона заключается в выделении или поглощении теплоты в однородном неравномерно нагретом проводнике током, дополнительно к теплоте, выделяемой в соответствии с законом Джоуля – Ленца (данное явление открыто английским физиком У. Томсоном (Кельвином) в 1856 г.).

Теплота Томсона Q_Т пропорциональна силе тока I, времени прохождения тока t и перепаду температур (Т₁ – Т₂):

где П – коэффициент Пельтье (зависит от природы материала).

В более нагретой части проводника тепловые скорости электронов выше, поэтому их диффузия к холодной части больше, чем в обратном направлении. Соответственно энергия в нагретой части больше. Если ток течет в направлении возрастания температуры, то электроны переносят в холодную часть дополнительную энергию, выделяющуюся в виде дополнительного тепла и наоборот.

Эффект Томсона до сих пор не нашел технического применения, однако его следует учитывать в точных расчетах термоэлектрических устройств; кроме того, его можно использовать для определения типа примесной проводимости полупроводников.